Glas-Dampfzellen Der Quantensensor aus der Wafer-Fertigung

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CADFEM Germany GmbH

Eurocircuits GmbH

Forscher haben ein Verfahren für siliziumfreie Glas-Dampfzellen entwickelt, die als stabile, miniaturisierte und kostengünstige Sensoren für die Radar- und Hochfrequenztechnik eingesetzt werden können.

Wer tiefer in die Welt der Quantenmesstechnik eintaucht, wird wahrscheinlich erstaunt sein, weil vieles eher nach Science-Fiction klingt. Doch dank neuer Fertigungsmethoden werden die Entwicklungen in diesem Bereich zunehmend industrietauglich.

Forscher der Penn State University und des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine neue Generation siliziumfreier, rein glasbasierter Dampfzellen entwickelt. Die mit Alkaliatomen gefüllten Komponenten ermöglichen sehr stabile, miniaturisierte und kostengünstige Sensoren für die Hochfrequenz- und Radartechnik.

Was genau ist eine Dampfzelle?

Wer in der Präzisionsmesstechnik arbeitet, kennt Bauteile wie Quarzoszillatoren, deren exakte mechanische Schwingung den Takt angibt. In der Quantentechnik übernimmt diese Aufgabe eine sogenannte Dampfzelle (engl. Vapor Cell). Dabei handelt es sich um einen winzigen, luftdicht verschlossenen Mikrohohlraum, der als atomarer Resonanzkörper dient. Im Inneren befindet sich ein verdampftes Alkalimetall, meist Rubidium oder Cäsium.

Bestrahlt man diesen Metalldampf mit Laserlicht oder Mikrowellen einer bestimmten Frequenz, reagieren die Atome darauf mit quantenmechanischen Sprüngen in einen anderen Energiezustand. Da diese atomaren Übergänge im gesamten Universum absolut universell, konstant und nicht beeinflussbar sind, eignen sich Dampfzellen perfekt als fundamentale Referenz für exakte Uhren (Atomuhren), Frequenznormale oder hochpräzise Sensoren für elektromagnetische Felder.

Bisher sehr aufwendig und teuer

Bisher war es allerdings aufwendig und teuer, diese Zellen zu bauen. Zudem sind sie im Miniaturformat anfällig für Alterung und Vakuumverlust. Ein Forschungsteam hat diesen Ansatz nun grundlegend verändert, indem es ein Verfahren entwickelte, um winzige Kammern vollständig aus hitzebeständigem Borosilikatglas im Wafer-Level-Prozess herzustellen.

Der technische Knackpunkt liegt im Herstellungs- und Fügeverfahren: Bisher mussten komplexe Glas-Silizium-Strukturen in aufwendiger Handarbeit oder mit fehleranfälligen Klebe- und Lötprozessen versiegelt werden, was oft zu schleichenden Undichtigkeiten führte.

Das neue Verfahren nutzt stattdessen eine strukturierte Borosilikatglas-Platte, die passgenau mit einer zweiten Glasschicht thermisch oder anodisch, also direkt durch Hitze und elektrisches Feld auf molekularer Ebene vakuumdicht verschmolzen wird. Dadurch entsteht ein reines, dielektrisches Vollglas-Gehäuse, das im großen Maßstab parallel auf einem Wafer gefertigt werden kann.

Das ist ein entscheidender Fortschritt, denn bisherige Miniatur-Dampfzellen basierten häufig auf Silizium-Mikromechanik (MEMS). Silizium neigt jedoch bei bestimmten Hochfrequenzen zu unerwünschten Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern und bietet oft nicht die nötige Langzeitdichte für das Vakuum im Inneren.

Kommerzielle Anwendungen

Durch den konsequenten Einsatz von reinem Glas und dieser speziellen Versiegelungstechnik blieben die Prototypen in Langzeittests über fast drei Jahre hinweg absolut stabil und hielten das Hochvakuum sowie die atomare Performance über die gesamte Zeit aufrecht.

Für Entwickler aus der Hochfrequenz-, Sensor- und Nachrichtentechnik eröffnet dieser Durchbruch neue Möglichkeiten. Da die Zellen im Halbleiter-Verfahren gefertigt werden, sinken die Stückkosten, womit der Weg frei für kommerzielle Anwendungen jenseits teurer Speziallabore wird. Zudem erlauben die kompakten Abmessungen die Integration in tragbare Geräte.

Neben präzisen Zeit- und Frequenzstandards rücken vor allem Anwendungen in der Quanten-Radartechnik, der Navigation ohne GPS sowie der hochempfindlichen Erfassung von Millimeterwellen-Strahlung, wie sie in modernen 5G/6G-Netzen genutzt wird, in den Fokus. Mit diesem technologischen Sprung rückt die praktische Implementierung quantenbasierter Sensoren in industrielle Serienprodukte ein großes Stück näher.(heh) 

Strommessung mit Licht

Ein Diamantsensor für die Leistungselektronik

(ID:50926020)